CN104018214B - 一种用于GaN半导体材料外延的矩形图形化Si衬底AlN模板及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于GaN半导体材料外延的矩形图形化Si衬底AlN模板，包括Si衬底以及在Si衬底上的(111)晶面作为晶体取向外延生长的AlN模板层，所述AlN模板层上刻蚀有多条互相垂直的条状沟槽，形成多个相互独立的矩形平台。本发明还涉及该图形化Si衬底AlN模板的制备方法，包括如下步骤：衬底清洗、生长AlN层、蚀刻出矩形平台。采用本发明的制备的用于GaN半导体材料外延的矩形图形化Si衬底AlN模板成品率高、成本低，制备出的产品均匀性好、质量高。

Description

一种用于GaN半导体材料外延的矩形图形化Si衬底AlN模板及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种用于GaN半导体材料外延的图形化Si衬底AlN模板及其制备方法，尤其是涉及一种用于GaN半导体材料外延的矩形图形化Si衬底AlN模板及其制备方法。

背景技术

GaN作为第三代半导体材料代表之一，具有直接带隙、宽禁带、高饱和电子漂移速度、高击穿电场和高热导率等优异性能，在微电子应用方面也得到了广泛的关注。自I.Akasaki首次成功获得p-GaN，实现蓝光LED的新突破后，GaN基化合物半导体一直备受关注，在室内照明、商业照明、工程照明等领域有着广泛的应用。

高质量GaN材料一般都通过异质外延方法制作。作为常用于生长GaN的衬底，蓝宝石有稳定的物理化学性质，但它的导热系数低(20W/mK)如果LED芯片中的热量不能及时散发出去，会加速器件的老化。一旦LED的温度超过最高临界温度(跟据不同外延及工艺，芯片温度大概为150℃)，往往会造成LED永久性失效,而高温还会导致LED封装材料中荧光粉、硅胶的可靠性，此外蓝宝衬底技术在制作芯片时由于衬底的绝缘性以及稳定性，使得只能采用横向结构的电极制作，一部分光被电极遮挡，这也大大的制约了LED的发光效率；SiC虽然与GaN的晶格失配度仅3.5％，导热率较高，但它的热失配与蓝宝石相当(25.6％)，与GaN的润湿性较差，价格昂贵，并且制造技术已被美国科锐公司垄断，因此也无法普遍使用。相比较下，Si衬底具有成本低、单晶尺寸大且质量高、导热率高、导电性能良好等诸多特点，并且Si的微电子技术十分成熟，在Si衬底上生长GaN薄膜有望实现光电子和微电子的集成。正是因为Si衬底的上述诸多优点，Si衬底上生长GaN薄膜进而制备LED越来越备受关注。但是，目前在Si衬底上制备GaN单晶薄膜的质量不如蓝宝石衬底，主要由于：Si与GaN晶格失配高于蓝宝石，导致外延片的中的缺陷较多；Si衬底遇活性N在界面处易形成无定形的SixNy，影响GaN的生长质量；而Si与Ga之间的在高温下存在合金共熔反应，使得GaN无法直接生长在Si衬底上。另外一个限制Si衬底外延GaN技术的应用的因素在于GaN与Si之间巨大的热失配，这使得GaN在冷却过程中容易产生裂纹，阻碍了后期的器件制作。

由此可见，即便Si衬底具有成本低、散热好等优点，具有非常良好的发展前景，但要在Si衬底上生长高质量GaN薄膜，需要寻找Si衬底上生长GaN薄膜的新方法及工艺。

目前，业界在Si衬底上外延GaN基半导体材料的主要采用将硅衬底分割成多个相互独立的独立矩形生长平台的方式，克服裂纹的问题，通过相互隔绝的生长平台隔绝裂纹的延生，同时通过沟槽释放薄膜的累积应力，从而提高外延的薄膜的晶体质量。然而，采用金属化学气相沉积在外延AlN缓冲层之前，需要预先铺Al；由于矩形平台的边缘效应会导致边缘区域铺铝不均匀，从而使得边缘表面形貌恶化，在后期加工过程中必须将边缘去除。降低了外延片的有效利用面积。

发明内容

为了解决现有的Si衬底在外延GaN基半导体材料过程中由于GaN与Si衬底之间的热失配而导致GaN薄膜的裂纹问题，以及由于Ga与Si之间合金共融产生的回熔刻蚀问题，本发明提供了一种低成本、质量优、外延生长稳定的一种用于GaN半导体材料外延的矩形图形化Si衬底AlN模板及其制备方法。

为解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种用于GaN半导体材料外延的矩形图形化Si衬底AlN模板，其包括Si衬底以及在Si衬底上的(111)晶面作为晶体取向外延生长的AlN模板层，所述AlN模板层上刻蚀有多条互相垂直的条状沟槽，形成多个相互独立的矩形平台。

本发明中，优选的方案为所述AlN模板层厚度为10-200nm；所述矩形平台边长为200-2000μm，条状沟槽宽度≥2μm、深度≥3μm。一种用于GaN半导体材料外延的矩形图形化Si衬底AlN模板的制备方法，其特征在于依次包括如下步骤：

a.将Si衬底进行清洁处理；所述清洁处理工艺优选的方案具体为：将Si衬底放入丙酮溶液中超声处理，然后用去离子水清洗；接着在异丙酮溶液中超声处理；再在氢氟酸溶液中浸泡；然后放入去离子水中浸泡；最后在硫酸和双氧水的混合溶液中浸泡，再经氢氟酸浸泡，然后用去离子水冲洗，氮气吹干。

b.以Si衬底的(111)晶面作为晶体取向，采用脉冲激光沉积工艺在Si衬底上生长出一层AlN模板层；采用脉冲激光沉积工艺生长AlN模板层，通过预先沉积AlN工艺可以避免由于反应腔中残余Ga导致衬底在初期高温清理过程中产生Si-Ga合金共熔反应破坏硅衬底表面；采用脉冲激光沉积工艺生长AlN模板层，避开采用金属有机化学气相沉积工艺生长AlN所需经过的预铺Al工序，防止因预铺Al不均匀造成的AlN质量下降。

c.在经b步骤制得的AlN模板层上蚀刻出多条互相垂直的条状沟槽，在AlN模板层上形成多个相互独立的矩形平台。将外延生长AlN模板层的Si衬底刻蚀成规则的AlN模板生长平台，有利于外延过程中的应力释放，降低位错缺陷，提高晶体质量，获得无裂纹的GaN表面。本发明中，优选的方案为所述b步骤中生长的AlN层厚度为10-200nm。

本发明中，优选的方案为所述c步骤蚀刻后形成的矩形平台边长为200-2000μm。

本发明中，优选的方案为所述c步骤蚀刻出的条形沟槽宽度≥2μm、深度≥3μm。

本发明中，优选的方案为所述b步骤中的脉冲激光沉积工艺中，衬底温度为550～650℃，反应室压力为10mTorr、Ⅴ/Ⅲ比为50～100、生长速度为0.6～0.8ml/s。与传统的工艺相比，本发明的优点是：

1.采用脉冲激光沉积工艺生长AlN模板层，通过预先沉积AlN工艺可以避免由于反应腔中残余Ga导致衬底在初期高温清理过程中产生Si-Ga合金共熔反应破坏Si衬底表面。

2.采用脉冲激光沉积工艺生长AlN模板层，避开采用金属有机化学气相沉积工艺生长AlN所需经过的预铺Al工序，防止因图形边缘效应引起预铺Al不均匀造成的AlN模板层及后续GaN薄膜外延中边缘形貌恶化问题。

3.将外延生长AlN模板层的Si衬底刻蚀成规则的AlN模板矩形生长平台，有利于外延过程中的应力释放，降低位错缺陷，在外延GaN半导体材料时提高晶体质量，获得无裂纹的GaN表面。

4.本发明制得的生长在Si衬底上的矩形图形化AlN模板层，具有成本低、效率高、有利于后期进一步加工、产品质量高等优点。

下面结合附图具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

附图

图1：实施例1中经过b步骤处理的Si衬底结构示意图；

图2：实施例1的用于GaN半导体材料外延的矩形图形化Si衬底AlN模板截面结构示意图；

图3：实施例1的用于GaN半导体材料外延的矩形图形化Si衬底AlN模板截面俯视示意图；

图4：实施例3制备的生长在Si衬底上的GaN薄膜结构示意图；

图5：实施例3制备的生长在Si衬底上的GaN薄膜(0002)的高分辨X射线衍射摇摆曲线(RCXRD)图谱；

图6：实施例3制备的生长在Si衬底上的GaN薄膜(10-12)的高分辨X射线衍射摇摆曲线(RCXRD)图谱。

其中，1、Si衬底；2、AlN模板层；3、矩形平台；4、条状沟槽；5、中间层；6、GaN外延层。

具体实施方式

实施例1

结合附图1-,3，一种用于GaN半导体材料外延的矩形图形化Si衬底AlN模板，其包括Si衬底1以及在Si衬底1上的(111)晶面作为晶体取向外延生长的AlN模板层2，所述AlN模板层1上刻蚀有多条互相垂直的条状沟槽4，形成多个相互独立的矩形平台3。所述AlN模板2层厚度为50nm；所述矩形平台3的大小为1mm×1mm，条状沟槽4的宽度为10μm、深度为8μm

其由如下方法制得，依次包括如下步骤：

a.将Si衬底进行清洁处理。

b.以Si衬底的(111)晶面作为晶体取向，采用脉冲激光沉积工艺在Si衬底上生长出AlN模板层：其中脉冲激光沉积工艺味：衬底温度为650℃，反应室压力为10mTorr、V/III比为50、生长速度为0.6ml/s，生长一层50nm厚的AlN模板层。

c.在经b步骤制得的生长有AlN模板层的Si衬底上蚀刻出多条互相垂直的条状沟槽，其中沟槽的宽度为10μm，沟槽的深度为8μm；在生长有AlN模板层的Si衬底上形成多个相互独立的1mm×1mm矩形平台。

实施例2

本实施例是在实施例1的基础上进行改行的，不同之处在于：所用的矩形AlN模板层矩形平台的大小为0.5μm×0.5μm。

实施例3

结合附图4-6，利用实施例1的用于GaN半导体材料外延的矩形图形化Si衬底AlN模板，制备生长在Si衬底上的GaN薄膜，其由下往上依次包括Si衬底1、AlN模板层2、中间层5和GaN外延层6，其中中间层由下往上依次为Al_xGa_1-xN缓冲层、AlN/GaN插入层、SiN_x插入层、GaN成核层。包括其由如下方法制得：将实施例1制得的用于GaN半导体材料外延的矩形图形化Si衬底AlN模板放入置于金属有机化学气相沉积反应腔中，依次外延生长Al_xGa_1-xN缓冲层、AlN/GaN插入层、SiN_x插入层、GaN成核层和GaN外延层，其中Al_xGa_1-xN缓冲层、AlN/GaN插入层、SiN_x插入层、GaN成核层构成中间层。其中，采用金属有机化学气相沉积工艺生长GaN成核层，工艺条件为：衬底温度为1000℃，反应室压力为500Torr、V/III比为1200，生长速度为1.0μm/h；采用金属有机化学气相沉积工艺生长GaN外延层，工艺条件为：衬底温度升至1050℃，反应室压力为150Torr，V/III为3000，生长速率为3.5μm/h。

制得的生长在Si衬底上的GaN薄膜，由下往上依次包括Si衬底、AlN模板层、中间层和GaN外延层。

对制得的Si衬底上的GaN薄膜进行检测，结合附图5～6的本实施例制备的生长在Si衬底上的GaN薄膜的X射线摇摆曲线图谱，从X射线摇摆曲线中可以看到，GaN(0002)的X射线回摆曲线的半峰宽(FWHM)值低于380arcsec，GaN(10-12)的半峰宽值为489arcsec，表明在Si(111)衬底上外延生长出了高质量的GaN薄膜。

上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (6)

1.一种用于GaN半导体材料外延的矩形图形化Si衬底AlN模板，其特征在于：包括Si衬底以及在Si衬底上的(111)晶面作为晶体取向外延生长的AlN模板层，所述AlN模板层上刻蚀有多条互相垂直的条状沟槽，形成多个相互独立的矩形平台；

所述用于GaN半导体材料外延的矩形图形化Si衬底AlN模板是通过以下步骤制备的：

a.将Si衬底进行清洁处理；

b.以Si衬底的(111)晶面作为晶体取向，采用脉冲激光沉积工艺在Si衬底上生长出一层AlN模板层；

c.在经b步骤制得的AlN模板层上蚀刻出多条互相垂直的条状沟槽，在AlN模板层上形成多个相互独立的独立矩形平台。

2.根据权利要求1所述的用于GaN半导体材料外延的矩形图形化Si衬底AlN模板，其特征在于：所述AlN模板层厚度为10-200nm；所述矩形平台边长为200-2000μm，条状沟槽宽度≥2μm、深度≥3μm。

3.根据权利要求1所述的用于GaN半导体材料外延的矩形图形化Si衬底AlN模板的制备方法，其特征在于依次包括如下步骤：

a.将Si衬底进行清洁处理；

b.以Si衬底的(111)晶面作为晶体取向，采用脉冲激光沉积工艺在Si衬底上生长出一层AlN模板层；

c.在经b步骤制得的AlN模板层上蚀刻出多条互相垂直的条状沟槽，在AlN模板层上形成多个相互独立的独立矩形平台。

4.根据权利要求3所述的用于GaN半导体材料外延的矩形图形化Si衬底AlN模板的制备方法，其特征在于：所述b步骤中的脉冲激光沉积工艺中，550～650℃，反应室压力为10mTorr、Ⅴ/Ⅲ比为50～100、生长速度为0.6～0.8mL/s。

5.根据权利要求3所述的用于GaN半导体材料外延的矩形图形化Si衬底AlN模板的制备方法，其特征在于：所述b步骤中生长的AlN层厚度为10-200nm；所述c步骤蚀刻后形成的矩形平台边长为200-2000μm，所述条状沟槽宽度≥2μm、深度≥3μm。

6.根据权利要求3所述的用于GaN半导体材料外延的矩形图形化Si衬底AlN模板的制备方法，其特征在于所述a步骤的清洁处理工艺方案具体为：将Si衬底放入丙酮溶液中超声处理，然后用去离子水清洗；接着在异丙酮溶液中超声处理；再在氢氟酸溶液中浸泡；然后放入去离子水中浸泡；最后在硫酸和双氧水的混合溶液中浸泡，再经氢氟酸浸泡，然后用去离子水冲洗，氮气吹干。